韩 军33，李建军，邓 军，邢艳辉，于晓东，林委之，刘 莹，沈光地
(北京市光电子技术实验室，北京工业大学，北京100022)
摘要：对用于提高Al G aInP红光发光二极管出光效率的传统DBR进行了分析，用MOCVD生长了包含对垂直入射光反射的DBR和对斜入射光反射的DBR复合在一起的红光L ED，在20mA注入电流下,L ED的峰值波长为630nm，轴向光强达到137mcd，输出光功率为2.32mW。与常规的L ED相比，光强和输出光功率有很大的提高。 关键词：红光发光二极管；分布布拉格反射镜；金属有机物化学气相沉积
中图分类号:TN383 文献标识码:A 文章编号:100520086(2008)0420456203
Wid e reflected angle DBR red light LE D
HAN J un33,LI Jian2jun,DENGJ un,XIN G Y an2hui,YU X iao2dong,LIN Wei2zhi,
LIU Y ing,SHEN G uang2di
(Beijing Optoelectronic T echnology Lab.Beijing University of T echnology,Beijing,100022China)
Abstract:We analyzed the conventional DBR which was used to increase the light extraction efficiency in Al G aInP red light LED.The coupled DBR L ED with one DBR to reflect normal incidence light and one DBR to reflect inclined incidence light was grown by MOCVD.At20mA Dc injection current,the L ED peak wavelength was630nm,the light intensity of on axis was137mcd,and the output light power was2.32mW.The light intensity and output light power were improved than conventional LED.
K ey w ords:Red L ED;DBR;MOCVD
1 引 言
与G aAs衬底晶格匹配Al G aInP是直接带隙半导体材料，可以发射从橙到红波段的光，在室外照明、汽车尾灯等方面有广泛的应用[1,2]。虽然现在用Al G aInP材料制造的红光发光二极管(Light Emitting Diodes;L ED)已经商业化生产，由于G aAs衬底对红光的吸收，半导体材料的折射率造成的出射角过小，使Al G aInP红光L ED的出光效率很低[3]，所以在商业化生产的同时，对Al G aInP红光L ED的研究工作一直在进行。目前研究工作的重点集中在进一步提高Al G aInP L ED的光提取效率，如加厚G aP窗口层，在吸收红光的G aAs衬底前生长分布布拉格反射镜(Distributed Bragg Reflector;DB
R)，用对红光透明的G aP材料代替对红光吸收的G aAs衬底，以及加金属反光镜的倒装结构的红光L ED[4]。
在G aAs衬底与发光的有源区之间生长DBR来提高出光效率的方法，虽然出光效率不如G aP透明衬底及金属反光镜的倒装结构的红光L ED两种方法，但是具有DBR与L ED的生长同时由MOCVD完成，不用增加额外的工艺，成品率高的优点。进一步提高DBR方法的出光效率有重要的实际意义。 本文对传统用于红光L ED的DBR反射率进行了分析，在模拟计算的基础之上，指出了限制传统DBR反射率的因素是, DBR仅对有源区发光中的近垂直入射部分有较高的反射率，在入射角大于15°时，反射率很低。为克服这一不足，我们用MOCVD生长了复合有两组DBR的红光L ED，其中有15对Al0.6G a0.4As/AlAs光学厚度为1/4波长的DBR，对垂直入射有高反射率、15对Al0.6G a0.4As/AlAs光学厚度为大于1/4波长的DBR，对斜入射有高反射率。这种L ED在20mA注入电流下，未封装芯片的轴向光强为137mcd，光功率为2.32mW。
2 器件分析与实验
2.1 器件分析
由两种不同折射率，光学厚度为1/4波长的材料交替生长，构成对特定波长高反射率的DBR。在G aAs衬底与Al2 G aInP发光有源区之间生长对红光有高反射率的DBR，可以将有源区向下发出的光反
射回去，从而增加L ED的出光效率。DBR的材料，选用晶格常数与G aAs衬底匹配，不吸收红光的较宽带隙的Al0.6G a0.4As/AlAs材料。为了研究影响DBR反射效率的因素，用传输矩阵方法[5]模拟了对630nm波长,15对
光电子・激光
第19卷第4期 2008年4月 Journal of Optoelectronics・Laser Vol.19No.4 Apr.2008 3
收稿日期:2007205218
3 基金项目：北京市科委高效高亮度单芯片半导体照明器件的研发与产业化资助项目(D0404003040221)
33E2m ail:hanjun@bjut.edu
和30对Al 0.6G a 0.4As/AlAs 材料DBR 反射率随入射角的变化情况。 模拟的DBR 反射率随入射角变化情况如图1所示，当入射角小于15°,15对和30对DBR 的反射率分别为74%和97%。当入射角大于15°，反射率很低，介于10%至40%之间。模拟计算表明，限制DBR 出光效率的因素是其仅对一小部分
光(入射角小于15°
)有高反射率。对大部分光(入射角大于15°
)，反射率很低。这是因为斜入射光，在DBR 每层中的光程大于1/4波长,DBR
对反射这部分光不敏感。
图1 模拟的DBR 反射率随入射角变化
Fig.1 Simu lated relfectivity o f DBR as fu nction o f incid ence angle
从图中可以看出，增加DBR 的对数，由15对增加到30对，对近垂直入射光反射率，由74%增加到97%，对斜入射光(大于15°角)的反射率没有改善。由于30对DBR 的反射率达到97%，继续提高的空间也不大。为了反射入射角大于15°的斜入射光，我们设计并用MOCVD 生长了在衬底和有源区间，复合有两组DBR 的L ED 。在有源区下是第一组DBR ，其每层光学厚度为630nm 光的1/4波长，在第一组DBR 之下是每层光学厚度为650nm 1/4波长的DBR 。这样，有源区发出的630nm 的光，垂直入射部分由第一个DBR 反射，斜入射部分由第二个DBR 反射，可以明显提高出光的效率。
2.2 器件实验
L ED 样品用Emcore 公司的D125型低压MOCVD 系统生长，器件的结构是,<100>偏向<111>150方向的n 型G aAs 衬底,n 型Al 0.6G a 0.4As/AlAs 材料的DBR (详见表1),0.5μm n 型2(Al 0.7G a 0.3)0.5In 0.5P 限制层,(Al 0.1G a 0.9)0.5In 0.5P/(Al 0.5G a 0.5)0.5In 0.5P 多量子阱有源区[6],0.5μm p 型2(Al 0.7G a 0.3)0.5In 0.5P 限制层，最后是p 型G aP 电流扩展层。Ⅲ族源为TMG a ,TMIn ,TMAl ,Ⅴ
族源为AsH 3,PH 3,n 型掺杂源为S i H 4,p 型掺杂源为C p 2Mg 。生长温度为700℃，反应室压力为8000Pa ,Ⅴ/Ⅲ比为150-200，生长速率为4-5μm/hr 。外延生长完成后，做p 型和n 型欧姆电极，最后被切割为300μm ×300μm 的管芯测试。 为了比较，共制作4个样品，如表1所示，样品Sample #1是无DBR 的L ED 。样品Sample #2是常规的加有DBR 的L ED ，即在有源区与G aAs 衬底之间生长15对Al 0.6G a 0.4As/A 2
lAs 材料DBR ,DBR 中心波长630nm ，用以反射垂直入射光。
样品Sample #3在有源区与G aAs 衬底之间生长15对Al 0.6G a 0.4As/AlAs 材料DBR ,DBR 中心波长650nm ，用以反射大于15°入射角的斜入射光。样品Sample #4是复合有上述两种DBR 的宽反射角DBR ，即在有源区与G aAs 衬底之间生长两组DBR ，先生长一组是15对Al 0.6G a 0.4As/AlAs 材料DBR ,DBR 中心波长650nm ，用以反射大于15°入射角的斜入射光；后生长一组是15对Al 0.6G a 0.4As/AlAs 材料DBR ,DBR 中心波长630nm ，用以反射垂直入射光。
美国越战片表1 四种样品LE D 的结构
T ab.1 T h e stru ctu re of fou r s amp le LE Ds
样 品
DBR 中心波长630nm
DBR 中心波长650nm
Sample #1无
无Sample #215对无Sample #3无15对Sample #4
15对15对
用Accent 公司的RPM100PL 系统，测试L ED 外延片的白光反射谱。器件完成后，用杭州远方公司的L ED 620光强分布测试仪，测试样品的光场分布，即光强同射角度的变化。样品的光输出功率在积分球中测试。
3 器件结果
图2是3种有DBR 的样品L ED 的白光反射谱。由于是
对外延完成后的整个L ED 测试,DBR 上的有源区结构对白光反射谱有影响，出现许多振荡峰，一般如仅对DBR 测试时，高反射区域应是图中图型的轮廓线。从图中可以看出，有对垂直入射光高反射DBR
的Sample #2，中心波长635nm ，带宽32nm 。有对斜入射光高反射DBR 的Sample #3，中心波长650nm ，带宽48nm 。复合两组DBR 的Sample #4，在627nm 至714nm 之间都有较高的反射率，带宽87nm 。Sample #2与Sample #3都有15对DBR ，反射带宽应该一样。Sample #2反射带较窄的原因是生长时,MOCVD 系统的在位监测显示[7]生长速率略有漂移引起的。因为L ED 峰值波长为630nm ，处于高反射区域内，不会对结果有很大的影响。
图2 3种样品LE D 的白光反射谱
Fig.2 White light reflective sp ectra o f th ree s amp le LE Ds
・
754・第4期 韩 军等：宽反射角DBR 红光发光二极管
图3是在20mA 注入电流下,4个样品的光强分布，即
L ED 光强随L ED 出光角度的变化情况。图中0°角的光强即为轴向光强，从图中看出4个样品的轴向光强分别为76mcd ,127mcd ,92mcd ,137mcd ;4个样品光强随出射角分布曲线的半宽(full 2width at half 2maximum ;FWHM )分别为114°,116°,133°,119°。与没有DBR 的样品Sample #1相比，生长有对垂直入射光高反射DBR 的Sample #2，轴向光强增加67%，出射角分布曲线半宽增加2°；生长有对斜入射
光高反射DBR 的Sample #3，轴向光强增加21%，出射角分布曲线的半宽增加19°；生长有复合两组DBR 的Sample #4，轴向光强增加80%，出射角分布曲线的半宽增加5°。由此看出，对垂直入射光高反射DBR 可以提高正面的出光，明显提高轴向光强。对斜入射光高反射DBR ，对轴向光强提高不多，对出射角度分布有改善。而有复合以上两组DBR 的Sample #4，对两方面都有提高。
图3 LE D 光强随LE D 出光角度的变化
Fig.3 Light intensity as fu nction o f
LE D light em ergent angle
图4是在20mA 注入电流下,L ED 峰值波长为630nm ，主
波长为620nm 时,4种样品输出光功率。分别为1.28mW ,1.87mW ,1.89mW ,2.32mW 。与没有DBR 的样品Sample #1相比，生长有对垂直入射光高反射DBR 的Sample #2，输出光功率增加46%；生长有对斜入射光高反射DBR 的Sample #3，输出光功率增加48%；生长有复合两组DBR 的Sample #4，输出光功率增加81%。Sample #2和Sample #3虽然轴向光强相差较大，但输出光功率几乎相等。说明有对垂直入射光高反射DBR 的Sample #2依靠对垂直入射光反射来提高光功率，对斜入射光高反射DBR 的Sample #3依靠对倾斜入射光反射来提高光功率。而复合两组DBR 的Sample #4对提高轴向光强和输出的光功率都有较好的作用。
4 结 论
对用于L ED 的传统DBR 进行了理论分析，在此基础上,
图4 四种样品LE D 的光功率
Fig.4 Output Light pow er o f fou r s amp le LE Ds
用MOCVD 生长了包含15对对垂直入射光高反射DBR 和15
对对倾斜入射光高反射DBR 的L ED ，在20mA 注入电流下，光输出功率和轴向光强，分别达到2.32mW 和137mcd 。与传统的仅有对垂直入射光高反射DBR 的L ED 进行了对比，加有复合DBR 的L ED ，可明显提高红光L ED 的光输出功率和轴向光强。
参考文献:
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于莎燕
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